Les pyridylsilanes : Des précurseurs réactifs pour les couplages organométalliques et la synthèse en phase solide

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couplages organométalliques et la synthèse en phase solide

Philippe Pierrat

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Philippe Pierrat. Les pyridylsilanes : Des précurseurs réactifs pour les couplages organométalliques

et la synthèse en phase solide. Autre. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 2006. Français. �NNT :

2006NAN10107�. �tel-01754314�

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UFRSTMP

Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physico-Chimie Moléculaire SESAMES

THÈSE

présentée pour l'obtention du titre de

DOCTEUR de l'Université Henri Poincaré, Nancy-I

en Chimie et Physico-Chimie Moléculaires par

Philippe PIERRAT

Les pyridylsilanes :

Des précurseurs réactifs pour les couplages organométalliques et la synthèse en phase solide..

Soutenance le 3 octobre 2006 devant le jury suivant:

Rapporteurs: M. M. ALAMI M. J. MADDALUNO

Examinateurs: Mme G. BALME M. Y.FORT M.Ph.GROS

Directeur de Recherches au CNRS, Université de Paris Sud.

Directeur de Recherches au CNRS, Université de Rouen.

Directrice de Recherches au CNRS, Université de Lyon.

Professeur, Université de Nancy

Directeur de Recherches au CNRS, Université de Nancy.

UMR CNRS - UHP 7565 - Synthèse Organométallique et Réactivité Faculté des Sciences et Techniques - Université Henri Poincaré - Nancy-I

BP 239,54506 Vandoeuvre-lès-Nancy Cedex

Je tiens à. assurer ma profonde gratitude à. Monsieur Mouad Alami, Directeur de Recherches au CNRS à l'Université de Paris Sud,

Ainsi qu'à. Monsieur Jacques Maddaluno,

Directeur de Recherches au CNRS à. l'Université de Rouen, de l'honneur qu'ils m'ont fait

en acceptant d'être rapporteurs de cette thèse.

Je tiens également à remercier Madame Genevieve Balme,

Directrice de Recherches au CNRS à. l'Université de Lyon,

Pour avoir accepté de juger ce travail.

Je prie

le professeur Yves Fort, directeur du laboratoire de Synthèse Organométallique et Réactivité, de bien vouloir accepter l'expression de ma sincère reconnaissance

pour m'avoir accueilli dans son laboratoire.

Bien sûr, mes plus grands remerciements sont attribués au Directeur de Recherche Philippe Gros pour avoir dirigé mes recherches de DEA et de thèse.

Je lui suis très reconnaissant pour m'avoir fait encore plus apprécier la chimie grâce à son enthousiasme, sa disponibilité et à ses grandes connaissances.

Je tiens également à remercier vivement le Professeur Walter Bauer pour m'avoir acceuilli dans son laboratoire à Erlangen et m'avoir fait profiter de ses

grandes connaissances.

Je remercie également Corinne Comoy, Maitre de Conférences, ainsi que le Professeur Raphaël Schneider pour m'avoir donnés goût à la chimie à travers leurs enseignements ainsi que pour les discussions fructueuses que nous avons

partagées au laboratoire.

Que David et Rafik trouve ici toute ma reconnaissance pour leur amitié, leur soutien, leur aide et pour tous les bons moments passés à leur côté au

laboratoire et en dehors!

Je tiens à remercier Frédo pour son aide, ses conseils et sa bonne humeur.

Je tiens également à remercier Thomas, Jeff, Christophe, Xavier ainsi que tous les camarades rencontrés pendant ces quatres années au sein du laboratoire de Synthèse Organométallique et Réactivité et qui ont su donner à ce laboratoire

une ambiance chaleureuse et amicale.

Enfin que soient remerciés:

Sandrine Adach et Claude Mathieu pour leur aide ou assistance efficace.

Sommaire

Sommaire 1

INTRODUCTION GENERALE 8

Chapitre 1: Réactivité de la liaison carbone-silicium 12

1.1) Introduction 12

1.2) Propriétés chimiques des éléments silicium et carbone 13

1.3) Formation de la liaison carbone-silicium 16

1.3.a) Introduction 16

1.3.b) Réaction entre un chlorosilane et un réactif organolithié ou

organomagnésié 16

1.3.c) Réaction d'hydrosilylation 17

1.3.c.1) Généralités 17

1.3.c.2) Hydrosilylation des alcènes et alcynes utilisant les dérivés

pyridyldiméthylsilanes 18

1.3.c.3) Mécanisme de la réaction d'hydrosilylation 20

1.3.d) Accès aux arylsilanes 22

1.4) Les Arylsilanes et leurs applications synthétiques 26

1.4.a) L'oléfination de Peterson 26

1.4.b) Préparation des carbanions en alpha du silicium 27

1.4.c) Réaction de protodésilylation 31

1.4.d) Les arylsilanes : Réactifs organométalliques efficaces 32

Chapitre Il : Fonctionnalisation du noyau pyridinique 36

11.1) Fonctionnalisation par lithiation 36

11.1.a) Introduction 36

11.1.b) Principaux facteurs influençant la lithiation du cycle pyridinique 37

11.1.c) La lithiation directe 38

11.1.d) La lithiation en alpha 39

11.1.e) Echange halogène-lithium 41

11.1.f) Ortho-métallation dirigée (DOM) 44

11.1.g) Contrôle cinétique ou thermodynamique de la lithiation 45

Il.1.h) Conclusion 46

11.2) Fonctionnalisation de la pyridine par couplage organométallique 48 11.2.a) Réaction de couplage symétrique: Homocouplage 49 11.2.b) Réaction de couplage mixte: couplage croisé 50 11.2.b.1) Les réactions de couplage mixte de type Corriu-Kumada 50 11.2.b.2) Les réactions de couplage mixte de type Stille 51

11.2.b.3) Les réactions de couplage de Suzuki. 52

11.2.bA) Les réactions de couplage de Negishi. 53

11.2.b.5) Les réactions de couplage de Heck 54

11.2.b.6) Les réactions de couplage de Sonogashira 54 11.2.c) Fonctionnalisation sélective des alcènes par réactions séquentielles catalysées par des métaux de transition. Activation intramoléculaire par le

groupement pyridinique 56

Chapitre III : Etude de la réactivité des bromopyridines vis à vis des réactifs de

lithiation 61

111.1. Préparation et réactivité de bromopyridylsilanes 61

111.1.1) Introduction 61

111.1.2) Etude de la réactivité de la 3-bromopyridine 62 111.2) Réactivité de la 2-Chloro-3-Sromopyridine vis-à-vis du t-SuU 65 111.3) Réactivité de la 2-Chloro-5-Sromopyridine vis-à-vis du t-SuU 66 iliA) Silan de l'étude de la réactivité des bromopyridines avec le f-SuU 69

111.5) Approche mécanistique 71

111.6) Conclusion 72

Chapitre IV : Etude structurale des organolithiens par spectroscopie RMN 73

IV.1) Introduction 73

IV.1.1) Les alkyllithiens. Description générale 74

IV.1.2) Etats d'agrégation 74

IV.1.3) Dynamique des complexes organolithiés 76

IV.2) Caractérisation 77

IV.2.1) Introduction 77 IV.2.2) Etude structurale par spectroscopie U.v. et Infra-Rouge 77 IV.2.3) Etude structurale par spectroscopie Résonance Magnétique Nucléaire.78 IV.2.3.a) Concept basique de la spectroscopie RMN 78

IV.2.3.b) Utilisation des couplages scalaires 80

IV.2A) Etude structurale par les méthodes de calcul théorique 81

IV.2.4.a) Introduction 81

IV.2.4.b) Calculs utilisant la théorie des orbitales moléculaires 81 IV.2A.c) Application des méthodes de la chimie théorique 82 IV.3) Etude RMN de la réaction d'échange brome-lithium avec les 3-

bromopyridines 82

IV.3.1) Introduction 82

IV.3.2) Réaction de la 2-CI-5-Br-pyridine avec le n-BuLi par RMN 85 IV.3.3) Réaction de la 2-CI-5-Br-pyridine avec le t-BuLi par RMN 91 IV.3A) Réaction de la 3-Br-pyridine avec le n-BuLi et le t-BuLi par RMN 93 IV.3.5) Réaction du para-chloro-bromobenzène avec le n-BuLi par RMN 96

IV.3.6) Conclusion 97

Chapitre V : Couplage organométallique de Hiyama avec la chloro-, fluoro-, et

méthoxytrimélhylsilylpyridine 99

V.1) Introduction 99

V.2) Couplage organométallique avec les organosilanes 100

V.2.1) Les halogénosilanes 100

V.2.2) Les siloxanes 103

V.2.3) Les silacyclobutanes (silétanes) 107

V.2.4) Les silanols 108

V.3) Considérations mécanistiques 113

V.3.a) Introduction 113

V.3.b) Interactions des sels de fluorures avec l'halogènure d'arylpalladium (II)

intermédiaire 114

V.3.c) Interactions des sels de fluorures nucléophiles avec les dérivés

organosilanes 116

VA) Etude de la réactivité des pyridylsilanes dans les couplages de Hiyama 117

V.4.1) Synthèse et réactivité de pyridyltriméthylsilanes non substitués 118

V.4.1.a) La 2-triméthysilanyl-pyridine 118

VA.1.b) La 3-triméthysilanylpyridine 119

V.4.2) Synthèse de chloropyridylsilanes 120

VA.2.a) Synthèse de la 2-chloro-6-triméthylsilanyl-pyridine 120 VA.2.b) Synthèse de la 3-chloro-2-triméthylsilanyl-pyridine et de la 4-chloro-2-

triméthylsilanyl-pyridine 121

VA.2.c) Synthèse de la 2-chloro-3-triméthylsilanylpyridine 122 VA.2.d) Synthèse de la 2-chloro-5-triméthylsilanylpyridine 122 VA.2.e) Synthèse de la 3-chloro-4-triméthylsilanyl-pyridine 123 V.4.3) Etude de la coupure des chloropyridylsilanes par les ions fluorures 123

V.4.4) Conclusion 125

V.5) Etude de réactivité des chloropyridylsilanes en couplage de Hiyama 126

V.5.1) Etude méthodologique 126

V.5.2) Couplage de la 3-CI-2-triméthylsilanyl-pyridine avec divers dérivés

halogénés 128

V.5.3) Couplage de la 4-CI-2-(triméthylsilyl)pyridine avec divers dérivés

halogénés ; 130

V.5A) Couplage d'autres chloro-triméthylsilanyl-pyridine 133

V.5.5) Approche mécanistique 134

V.5.6) Réaction des fluoro- et méthoxy-pyridylsilanes en couplage 136 V.5.6.a) Préparation des pyridylsilanes substitués en position C-3 136 V.5.6.b) Préparation de la 2-fluoro-6-triméthylsilanyl-pyridine 137 V.5.6.c) Couplage des fluoro et méthoxy pyridylsilanes 138

V.6. Conclusions 139

Chapitre VI -Synthèse en phase solide de dérivés pyridiniques fonctionnels via

un espaceur silylé 141

VI.1) La synthèse en phase solide 141

VI.1.1) Avantages liés à la synthèse en phase solide 141 VI.1.2) Inconvénients liés à la synthèse en phase solide 143

V1.2) Nature des supports utilisés 144

V1.3) Nature des bras espaceurs 147

VI.3.1) Les bras espaceurs "traceless" 149

VI.3.2) Les bras espaceurs multifonctionnels 151

VI.3.3) Conclusion 153

VIA) Les lithiations en phase solide 154

VI.5) Création de liaison C-C en phase solide par couplage organométallique.. 158

VI.5.1) Le couplage de Suzuki en phase solide 158

VI.5.2) Le couplage de Heck en phase solide 160

VI.5.3) Le couplage de Stille en phase solide '" '" 161

VI.5.4) Conclusion 162

V1.6) Synthèse en phase solide de dérivés pyridiniques fonctionnels via un

espaceur silylé 163

VI.6.1) Introduction 163

VI.6.2) Immobilisation de la 2-chloropyridine par sa position 3 167

VI.6.2.a) Réaction de greffage 167

VI.6.2.b) Test de coupure de la résine 167

VI.6.2.c) Fonctionnalisation de la résine 168

VI.6.3) Immobilisation de la 2-chloropyridine par la position 5 170

VI.6.3.a) Réaction de greffage 170

VI.6.3.b) Tests de coupure de la résine 171

VI.6A) Immobilisation de la 2-chloro-5-bromopyridine par la position 4 172

VI.6A.a) Réaction de greffage 172

VI.6A.b) Coupure de la résine 174

VI.6A.c) Fonctionnalisation de la résine 174

VI.6A.c.1) Réaction d'échange brome-lithium 174

VI.6A.c.2) Réaction d'échange brome-magnésium 175

VI.6A.c.3) Réaction d'ortholithiation 176

VI.6A.cA) Préparation des 2-alcynylpyridines 177

VI.6.4.c.5) Préparation des 2-aminopyridines '" 179 VI.6.4.c.6) Préparation des 2-amino-5-alcynyl-pyridines 180 VI.6A.c.7) Préparation des dérivés 2-5-disubstitués 183

VI.6.5) Conclusion 184

CONCLUSION GENERALE 186

-Partie expérimenfale- Généralités 191

-Partie expérimentale- 191

-Indications générales- 191

1. Réactifs et solvants 191

2. Analyses chromatographiques 191

3. Caractérisations des produits 192

4.-Séparation et purification des produits 193

1: Etude de la réactivité des bramopyridines vis-à-vis des réactifs de lithiation.

...195 1.1.Mode opératoire d'échange brome-lithium avec la 3-bromopyridine et la 2-

chloro-3-bromopyridine , 195

1.2- Mode opératoire d'échange brome-lithium avec la

2-CI-5-Br~pyridine

197 1.3. Mode opératoire d'ortholithiation des bromopyridines avec le t-BuU 198

Il : Etude structurale des organolithiens par spectroscopie RMN 204 11.1) Méthode générale de préparation des lithiens issus de la réaction

d'échange brome-lithium dans le tube RMN 204

11.2) Méthode générale de préparation des lithiens issus de la réaction d'ortholithiation en position C-4 dans le tube RMN 207

III : Couplage organométallique de Hiyama avec la chlora-, fluoro- et méthoxy-

triméthylsilanyl-pyridine 209

1I1.1.Synthèse des pyridylsilanes 209

1I1.1.a.Synthèse de la 2-triméthylsilanyl-pyridine (10) 209 1I1.1.b.Procédure générale de métallation via l'utilisation de n-BuLi-UDMAE .. 210 1I1.1.c. Procédure générale de métallation via l'utilisation du LTMP 213 1I1.1.d. Préparation de la 3-fluoro-2-triméthylsilanyl-pyridine 213

111.2 Préparation des produits de couplage 214

IV : Synthèse en phase solide de dérivés pyridiniques via un espaceur silylé.

...224

1. -.Préparation de la résine fonctionnelle 224

1.1. Synthèse du modèle immobilisé sur polystyrène en solution 224

1.2 Immobilisation de la 2-chloro-5-bromopyridine sur support polystyrène 225

1.2.1. Synthèse de la résine allylique 225

1.2.2. Synthèse de la résine silane 225

1.2.3. Synthèse de la résine fonctionnelle 226

1.3 Procédure générale de clivage "traceless" avec le fluorure de

tétrabuthylammnium 227

II. -.Modifications de la résine fonctionnelle 227

11.1. Procédure générale d'échange brome lithium 227 11.2. Procédure générale d'échange brome-magnésium 229 11.3. Procédure générale d'ortholithiation avec le LDA. 230 Il.4. Procédure générale de préparation des pyridines monoalcynes 231 11.5. Procédure générale de préparation des 2-amino-3-alcynyl-pyridine 233 11.5.1. Procédure d'amination de la résine fonctionnelle 233 11.5.2. Couplage de Sonogashira des aminopyridines immobilisées 235 11.6. Procédure générale de préparation des di-alcynylpyridines 238

11.7. Procédure générale de couplage de Stille 240

11.8. Procédure générale de couplage de Suzuki. 241

CCM CIP CPG DABCO DFT DIA DMAE DMF éq.

EbO

GC-MS (lE) lDA

UDMAE lTMP mmole NMP Rdt RMN SET SNAr SSIP t.a TBAF t-BuOK THF TMAF TMEDA

U.V

Chromatographie sur couche mince Contact Ion Pair

Chromatographie en phase gazeuse 1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane

density functional theory Diisopropylamine

2-diméthylaminoéthanol Diméthylformamide

Equivalent Ether

Spectrométrie de masse (impact électronique) Diisopropylamidure de lithium

2-diméthylaminoéthanolate de lithium

2,2,6,6-tétraméthylpypéridylamidure de lithium Millimole

N-méthylpirrolidone Rendement

Résonance Magnétique Nucléaire

Single electron transfert (transfert monoélectronique) Substitution nucléophile aromatique

Solvent Separated Ion Pair Température ambiante

Fluorure de tétrabutylammonium Tertiobutylate de potassium

Tétrahydrofurane

Fluorure de tétraméthylammonium

N,N,N',N'-tétraméthytléthylènediamine

Ultra-violet

INTRODUCTION GENERALE

Un siècle après les travaux pionniers de Kipping sur la réactivité des dérivés silylés, la chimie du silicium a connu un essor considérable notamment pour la préparation de nouveaux matériaux et le développement de nouvelles voies de synthèse.

L'accès à ces composés peut être réalisé selon 2 voies principales que sont la réaction d'hydrosilylation catalytique ou la réaction d'un dérivé organolithien ou organomagnésien avec un halogénosilane (Schéma 1). Ces deux méthodes ont été largement étudiées et exploitées notamment pour la préparation efficace d'arylsilanes élaborés.

- - - i I O - l I O ' Ar-Si~

...- - - -

Ar-X +

H-Si~

X=halogène

voie a voieb

Ar-Li +

X-Si~

Schéma 1 : Synthèse des dérivés organosilylés.

Ces composés présentent un grand intérêt synthétique dans plusieurs domaines de la chimie organique moderne. Alors que la protection d'une fonction alcool peut se faire en présence d'un chlorosilane, la formation de liaison carbone- carbone mettant en jeu un intermédiaire silylé est très efficace. L'oléfination de Peterson permet, par exemple, la préparation d'une liaison TI à partir d'une cétone et d'un composé possédant un carbanion en alpha d'un atome de silicium et constitue à ce titre une alternative intéressante à certaines réactions de Wittig.

En ce qui concerne la création de liaison C-C, le couplage organométallique

catalytique représente la voie de synthèse la plus efficace et dont le champ

d'application est le plus large. En plus des réactions de couplage de Suzuki-Myiaura,

Stille, Negishi ou Kumada qui emploient respectivement des intermédiaires à base

de bore, étain, zinc ou magnésium, le couplage de Hiyama à base de silicium

connaît un essor considérable mais beaucoup plus récent, puisqu'il n'est apparu

qu'au début des années 1980. L'efficacité de cette réaction de coupage réside

principalement dans l'aptitude du silicium à être pentavalent. Ainsi, sous l'action

d'une espèce nucléophile (le plus souvent F), on forme un silanion qui conduit par la

suite à la rupture de la liaison Si-Co En présence d'un complexe organométallique,

cette espèce peut se transmétaller pour conduire à la formation d'une liaison C-C

(Schéma 2).

F- ou base

x

^=halogène

PdO

Schéma 2 : Principe général du couplage de Hiyama.

Compte tenu de l'expérience du laboratoire en terme de fonctionnalisation régiosélective du cycle pyridinique, un des objectifs de ce travail était l'immobilisation de noyaux pyridiniques en phase solide pour leur fonctionnalisation ultérieure de manière à préparer de nouvelles chimiothèques d'hétérocycles fonctionnels. Nous avons alors choisi d'utiliser un bras espaceur silylé de manière à pouvoir libérer les molécules cibles en fin de synthèse sans traces du point d'ancrage ("traceless").

S i O F G1

N

Fonctionnalisation séquentielle

F- FGn FG₂

HUFG,

N

Il nous est avant tout apparu fondamental d'étudier la préparation de pyridylsilanes en solution d'abord dans le but de mimer la réaction de greffage sur le support. Certaines étapes synthétiques fondamentales telles que la réaction de clivage, devaient être testées au préalable en solution pour aller vers une coupure quantitative et rapide de la liaison carbone-silicium en présence d'ions fluorures.

Ce manuscrit est structuré en 4 chapitres expérimentaux qui sont précédés de deux chapitres bibliographiques qui font le point sur l'état de l'art dans le domaine de la préparation et réactivité de la liaison C-Si et de la fonctionnalisation du noyau pyridinique respectivement. Ce mémoire inclus également une partie expérimentale relative à l'ensemble des travaux effectués.

Le premier chapitre expérimental décrit la synthèse de divers pyridylsilanes et

plus précisément des bromopyridylsilanes. Ces synthèses ont été réalisées dans un

premier temps par la préparation d'un lithien pyridinique suivi de la réaction avec le

triméthylchlorosilane. Dans ce chapitre, différentes méthodes de lithiation sélective

seront utilisées (échange H-Li, Br-Li et ortholithiation dirigée). Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence une nouvelle réactivité du t-BuLi avec les 3- bromopyridines qui conduit à une réaction d'ortholithiation en position C-4. Cette sélectivité inattendue sera décrite en détails à la fin de ce chapitre.

A la suite de cette découverte inattendue de cette réaction d'ortholihiation générée par le t-BuLi avec les 3-bromopyridines, nous nous sommes intéressés plus en détails au mécanisme réactionnel. Ainsi, en collaboration avec le Professeur Bauer (Allemagne), l'étude RMN à basse température de cette réaction a été réalisée. Les résultats obtenus seront présentés dans le deuxième chapitre expérimental de ce mémoire.

Ayant mis au point la synthèse de nombreux mimes pyridylsilanes en vue de leur immobilisation en phase solide, il nous restait donc à tester la réactivité de la liaison Si-C vis-à-vis des ions fluorures dans l'objectif d'obtenir une réaction de coupure quantitative. A l'issue de cette étude nous avons mis en évidence les paramètres électroniques qui gouvernent cette réaction et isolés certains candidats potentiels pour leur immobilisation en phase solide. A vu de la réactivité de ces isomères vis-à-vis des ions fluorures, ils nous est apparu intéressant de les tester pour le couplage de Hiyama. Ces travaux seront présentés dans le troisième chapitre expérimental.

Dans le quatrième et dernier chapitre expérimental, nous présenterons

notamment l'immobilisation de la 2-chloro-5-bromopyridine sur polystyrène via un

bras espaceur silylé et sa fonctionnalisation en utilisant des réactions sélectives

d'échange brome-métal, des couplages organométalliques, des réactions

d'ortholithiation ou encore des réactions de substitution nucléophile aromatique.

Chapitre 1. Réactivité de la liaison carbone...silicium

La différence majeure entre le silicium et le carbone est leur disponibilité respective et la variété des dérivés naturellement disponibles. Le silicium n'existe pas sous forme libre dans la nature et le problème réside dans son extraction à partir de produits naturels. La nature fournit de grandes quantités de silicium sous de nombreuses formes. Cet élément est le deuxième en terme d'abondance sur la croûte terrestre qui est composé à 75% de silicium et d'oxygène. Cependant, les composés naturels à base de silicium, la silice et les silicates, contiennent essentiellement des liaisons Si-Q qui sont très stables et donc difficiles à transformer pour la synthèse et l'étude de nouveaux composés du silicium.

Malgré tout, les chimistes ont su mettre au point de nombreuses méthodes de transformation des dérivés silylés naturellement disponibles, permettant de nos jours la préparation d'une grande gamme de composés silylés commerciaux.

Il est intéressant de noter que le carbone ne fait pas partie des dix premiers éléments en abondance dans la nature. Malgré tout, il est présent avec une variété très riche en terme de types de liaisons chimiques et de catégories de composés.

Les sources de carbone incluent essentiellement le charbon, le pétrole et ses produits de craquage dérivés, mais aussi la constitution des êtres vivants (flore et faune). Cette grande variété de sources est en partie responsable du développement continu de la chimie organique.

1.1) Introduction.

En quoi les propriétés du carbone et du silicium et leurs composés respectifs

se ressemblent-elles? Ces différences peuvent être mineures mais elles peuvent

aussi être très intéressantes pour le chimiste de synthèse. C'est pourquoi il est

important de présenter les analogies avec le carbone lorsqu'elles existent mais aussi

de démontrer le caractère unique de la chimie, structure et réactivité du silicium.

Les composés du silicium ont été largement utilisés en synthèse organique comme groupes protecteurs efficaces des fonctions alcools (la force de la liaison Si- G est de 95 kcal/mol).

R-OH + -7-+-C'

quantitatif

...

Schéma 3 : Protection d'un alcool en présence de tertiobutyl-(diméthyl)-chlorosilane.

Nous verrons dans la suite de ce manuscrit qu'il existe désormais, beaucoup d'autres types d'utilisation de ces composés en chimie organique.

Le silicium est de la même famille que le carbone, il est tétravalent. C'est l'élément le plus abondant de la croûte terrestre (27,2% notamment sous forme de sable). Les composés du silicium sont connus pour leurs applications multiples dans la vie de tous les jours. Le TMS ou tétraméthylsilane (CH3)4Si sert de référence en RMN. Le carborundum (SiC) qui permet l'homogénéisation de l'ébullition, fut initialement trouvé dans une météorite. Les huiles de silicone sont largement connues du grand public. Ce sont des polymères poly-organosiloxaniques dont on peut faire des gommes, des résines, des graisses etc...

Aujourd'hui, la chimie inorganique et organique du silicium a un impact indéniable sur le développement des nouvelles technologies (notamment dans le domaine des puces électroniques des ordinateurs). Le premier chimiste à s'être intéressé de près à la chimie du silicium fût Kipping au début des années 1900. De nombreux chimistes ont pendant longtemps considéré la chimie du silicium comme une aberration dans la mesure où cet atome ne respectait pas les règles de l'élément carbone.

Avant de décrire plus en détails la réactivité du silicium en chimie organique, il est nécessaire de rappeler les caractéristiques de base de l'élément silicium comparées à celles du carbone.

1.2) Propriétés chimiques des éléments silicium et carbone.

Il Y a deux propriétés majeures qui distinguent l'élément silicium par rapport à

de carbone ce qui a pour conséquence une stabilité réduite des liaisons

TI

engagées avec un atome de silicium mais également des barrières de rotation des liaisons formées plus faibles. De plus, le caractère électronégatif du silicium est plus faible que celui du carbone ce qui conduit à un caractère plus polaire des liaisons avec le silicium par rapport à la liaison carbone-carbone.

L'électronégativité de Pauling du silicium est à peu près similaire à celle des éléments de transition de la première ligne. On peut donc dire que la liaison carbone- silicium est presque une liaison carbone-métal à la seule différence majeure près qu'il n'y pas de rétro-coordination. En effet, cette liaison possède 12% de caractère polaire, ce qui est proche d'une liaison carbone-magnésium.

Tableau 1 : Caractéristiques générales des éléments carbone et silicium.

Carbone Silicium

Taille 0,77 A

1,77 A

Electronégativité de Pauling 2,5

1,8

Le silicium étant beaucoup plus gros que le carbone, les liaisons de type Sp3 sont plus longues que le cas de la liaison C-C (Schéma 4).

liaison C-C liaison C-Si liaison Si-Si

Schéma 4

1,54A 1,90A 2,34A

Le silicium diffère du carbone par la formation de liaisons multiples beaucoup moins stables que dans le cas de l'atome de carbone. De plus, le silicium est capable d'accepter plus de 4 liaisons simples conduisant néanmoins à des composés organosilylés de grande stabilité chimique. On peut par exemple citer les silatranes découverts par Corriu

¹

dans lesquels le centre silylé est entouré de 4

1

Corriu,

R.

J. P. ; Royo, G. ; de Saxce, A. J. Chem. Soc., Chem.Commun. 1980,892.

liaisons covalentes et d'une liaison dative très forte avec un atome d'azote (figure 5).

Ces composés par ailleurs présentent une grande activité biologique.

2

x

0 ... ' ... 0

tr;JJ N Figure 5

L'atome de carbone affiche en général un maximum de 4 liaisons Sp3 de par son caractère électronique. Cependant, dans certaines structures engageant des métaux de transition, l'élément carbone est capable de s'entourer de cinq voisins, on parle alors de carbènes.

Par contre, si les liaisons multiples sont monnaie courante dans la chimie du carbone, elles sont beaucoup plus rares dans la chimie du silicium (figure 6).

TRES RARE

><

~

^"

>t- '*'

CARBONE

^{'. '" ',,-,\'}

Hybridation

sp Sp2 Sp3 dSp3 d2sp3

RARE

\

^'"

^/

^{1'1 1 l'I 1 .,\}

SILICIUM -Si= Si= ;Si, "Si- ; S i ,

/

^{... 1} ₁

rare

Figure 6

2

Tandura, S. N. ; Voronkov, M. G.,. A1ekseev, N. Y. Curr. Top.Chem. 1986,131,99.

1.3) Formation de la liaison carbone-silicium.

1.3.a) Introduction.

Le développement de la chimie des dérivés organosilylés est à mettre directement en parallèle avec celui des réactifs organométalliques (magnésiens et lithiens). Afin de mettre en oeuvre la synthèse de dérivés silylés, le chimiste dispose d'une quantité limitée de schémas réactionnels. On discute souvent autour de deux questions majeures à savoir la formation de liaison Si-C et la transformation de groupements fonctionnels engageant un atome de silicium. Ces recherches ont caractérisé la chimie de l'élément silicium comme une méthode de choix pour de nombreuses modifications fonctionnelles sélectives et très efficaces.

La plupart des dérivés silylés commercialement disponibles portent des fonctions organiques simples et dont certaines peuvent aisément être convertis en liaison carbone silicium. Ces groupements sont le plus souvent des atomes de chlore (chlorosilanes), des groupements alkoxy (alkoxysilanes) ou encore un hydrogène (hydrosilanes). Afin de construire des composés organosilanes plus complexes, ces groupements fonctionnels ont été exploités.

1.3.b) Réaction entre un chlorosilane et un réactif organolithié ou organomagnésié.

Les réactions les plus utilisées sont les réactions des dérivés organométalliques en présence des halogénosilanes ou alkoxysilanes et la réaction d'hydrosilylation catalytique en présence d'un métal de transition (Rhodium ou Platine) entre un hydrosilane et des oléfines diversement substituées.

Ainsi la chimie des dérivés organosilanes coïncide avec ces méthodes de

préparation. Néanmoins, il est primordial de savoir contrôler le nombre de

groupements fonctionnels liés au silicium qui vont réagir pour la formation d'une

nouvelle liaison Si-Co

La voie de synthèse la plus connue est la formation de liaison silicium-carbone par substitution nucléophile d'un réactif organométallique de type organolithien ou organomagnésien (Schéma 7).

-....\/

X

"Si

1

+ ^R-M

^solvant

Schéma 7

-....\/

R

...Si + ^X-M

1

1.3.c) Réaction d'hydrosilylation.

1.3.c.1) Généralités.

La réaction d'addition de radicaux libres provenant des hydrosilanes a été découverte à la fin des années 1940. Au départ, cette réaction a été induite de manière thermique, photochimique ou par la génération de radicaux libres. Cette méthode était cependant très restrictive puisqu'elle était limitée à l'utilisation de HSiCI

₃

en présence d'oléfines stables et qui ne polymérisent pas.

Ce n'est qu'à la fin des années 1950 que fut réalisée la première réaction d'hydrosilylation catalysée par un métal de transition (Schéma 8).

R

R H-SiR

3

h

\ ..

ptO H SiR₃

J J

R H-SiR₃ R

4=

_Pt

^.. 4=

_/Pt..

..

_H

h

_Pt

H SiR₃ 1

SiR₃

Schéma 8

Il Y a quelques différences inhérentes au procédé catalysé par un métal de

transition comparé au procédé thermique ou radicalaire. En effet, cette réaction

conduit majoritairement à la formation de l'isomère

~

qui est le composé le moins

substitué.

Le catalyseur d'hydrosilylation le plus commun est le catalyseur de Speier H2PtCI6. Le rapport molaire entre le catalyseur et le dérivé hydrosilane est généralement de 2.10-3 à 2.10-

^7•

L'avantage majeur de cette réaction est sa grande tolérance vis-à-vis de groupements fonctionnels polaires tels que -N02, RS03, -CN, - NH2, etc, qui sont susceptibles de consommer les réactifs organométalliques nucléophiles. De nombreux complexes de métaux de transition ont été développés par la suite incluant ceux basés sur les éléments Rh, Pd, Co, Ni et Fe.

Les vinylsilanes sont également des intermédiaires très intéressants en synthèse organique. L'hydrosilylation des alcynes catalysée par un complexe de métal de transition est la méthode la plus directe pour accéder à ces composés. De nombreux métaux de transition catalyse cette réaction, et le plus souvent il y a formation de l'isomère ~ qui est donc le composé le moins substitué. 3 Récemment, il a été rapporté que les complexes de ruthénium [Cp Ru (MeCNhl PF6 (1) et [Cp* Ru (MeCNhl PF6 (2) permettent la formation de l'isomère le plus substitué

Cl

(Schéma 9).4

1% 1 ou 2 R1 H

R1 == R'3SiH, CHzClz

^Jo<

R3Si >=< H

\/ //

O-Si-H O-Si

k R

catalyseur 2

V ^R

li>

(n = ^{1 ou 2)}

cyclisation endo-dig

Schéma 9

1.3.c.2) Hydrosilylation des alcènes et alcynes utilisant les dérivés pyridyldiméthylsilanes.

Comme nous l'avons dit précédemment, la réaction d'hydrosilylation catalysée par un métal de transition de molécules possédant une ou plusieurs liaisons

3

(a) Ojima, 1. ; Li, Z. ; Zu, J. The chemistry ofOrganosilicon Compounds; Great Britain, 1998, 2,1687. (b) Ojima,I. The chemistry ofOrganosilicon Compounds ; Great Britain, 1989, 1479.

4

(a) Trost,

B.

M. ; BalI, Z. T.

J.

Am. Chem. Soc. 2003, 125,31. (b) Trost, B. M. ; BalI, Z. T. J. Am. Chem. Soc.

2001, 123, 12726.

insaturées est une technique extrêmement intéressante pour la formation de liaison C-Si dans la mesure où cette réaction est hautement régiosélective.

5

Ainsi, la réactivité d'un groupement hydrosilane porté par un noyau pyridinique a été étudiée par l'équipe de Yoshida, tout en prenant en compte les interactions additives liées à la stabilisation de nombreuses espèces organométalliques par l'azote de la pyridine. Dans ce contexte, l'hydrosilylation des alcènes en présence du 2-pyridyldiméthylsilane se montre très efficace en présence d'une quantité catalytique de RhCI(PPh3h. Par comparaison, l'hydrosilylation des alcynes avec ce silane requiert l'utilisation du complexe Pt / P(t-Buh donnant l'accès aux alcényl(2- pyridyl)silanes avec d'excellents rendements (Schéma 10).

6

R

==

^R'

Pt(CH2=CHSiMe2hO (1%)

Û ""'::

H

¹

...Si ô

/ \

/

R~

MeCN, t.a

P(t-Buls (1%) toluène, 100'C

.. Û ""'::

R

1

~Si ^ô

/ \

Schéma 10 : Hydrosilylation des alcènes et alcynes en utilisant le 2-(diméthyl)pyridylsilane.

Au regard de la grande réactivité du 2-pyridyldiméthylsilane dans les réactions d'hydrosilylation (particulièrement avec les alcènes), d'autres composés hydrosilanes de structure et nature électronique différentes (3-PyMe2SiH, 4-PyMe2SiH et le PhMe2SiH) ont été évalués pour cette réaction.

Alors que la réaction avec le silane en position 2 est complète en 15 minutes, l'hydrosilylation des composés cités précédemment est extrêmement lente dans les mêmes conditions (Schéma 11).

5Marciniec,B.

Comprehensive Handbook on Hydrosilylation ;

Pergamon Press: Oxford

1992.

6(a) Yoshida,

J.;

!tami,

K. ;

Mitsudo,

K. ;

Suga, S.

Tetrahedron Lett. 1999,40,3403. (b)

Itami,

K. ;

Mitsudo, K.; Nishino, A. ; Yoshida, J.

Chem. Lett.

2001, 1088. (c) ltami,

K. ;

Mitsudo,

K. ;

Nishino,

A. ;

Yoshida, 1.J.

Me3Si)

RhCI(PPh₃

h

(5%)

Me3Si~SiMe~r

ArMe

₂

SiH +

^il

MeCN 28°C, 15 min.

Û

^N

0 ^Û

H ^'Si _Me

1 ^.ô

^H'Si D

^.ô

^H.'Si

^{1 .ô}

^H'Si

^.ô

2

Me

₂

Me

₂

Me

₂

95% <2% <2% <2%

Schéma 11

Ces résultats mettent clairement en évidence l'implication de l'azote pyridinique au sein des intermédiaires formés au cours de cette réaction. la pré- coordination de la pyridine sur le complexe de Rhodium peut par exemple faciliter l'étape d'addition oxydante du métal dans la liaison Si-H par effet de proximité.

D'autre part, il est également plausible de supposer que la formation de l'intermédiaire issu de l'insertion de la double liaison dans la liaison Rh-H est fortement stabilisée dans ce cas, puisqu'il y a formation d'un intermédiaire cyclique à 6 chaînons (Schéma 12). Cette affirmation est d'autant plus vraie qu'il est supposé que cette étape est l'étape limitante dans le mécanisme d'hydrosilylation.

Rh)) ^H Û

Û ^{Rh (1) 'N --.-:::::} R~""""'Si

^{1 .ô}

H

1

.. _H

_{l . ô} ^il

'Si

.ô

'Si

Me

₂

Me

₂

Me

₂

H

R~

_.. R,())

¹

Si

.ô

Me

₂

Schéma 12 : Implication de l'azote pyridinique dans le mécanisme d'hydrosilylation catalysée au Rh.

1.3.c.3) Mécanisme de la réaction d'hydrosilylation.

Deux mécanismes réactionnels ont été largement rapportés concernant cette

réaction, à savoir le mécanisme de Chalk-Harrod et le mécanisme de Chalk-Harrod

modifié (Schéma 13).

Elimination réductrice

[Pt]O~~

^/H

oxydante Pt]Il

[ 'S'R CH

Y

^IS

^gH:

Méchanisme de Chalk-Harrod

~ SiRs /H

;1' , [Ptl

~[Pt]1I

" H

1

^'SiRs

C-C

", ""'

~H2C_CH2

Il / insertion

[Pt]" ,SiRs de l'éthylène C-C

H₂H₂

Méchanisme de Chalk-Harrod modifié

Schéma 13 : Mécanisme d'hydrosilylation suivant 2 chemins principaux.

Ces deux mécanismes commencent de la même manière via une étape commune d'addition oxydante du dérivé hydrosilylé sur le métal qui se retrouve alors au degré d'oxydation (+11). Alors suit une étape durant laquelle le composé éthylénique vient se coordiner au métal suivie de l'insertion de cette liaison double sur le métal, qui est l'étape limitante de ce mécanisme réactionnel. Ensuite, selon le mécanisme proposé par Chalk et Harrod dans un premier temps, on a une insertion directe de l'hydrure sur la fonction

TI.

La dernière étape consiste en l'élimination réductrice de la liaison silicium-carbone de la surface du métal.

Dans le second mécanisme proposé, c'est l'insertion de la fonction silylée qui se fait dans un premier temps sur la fonction éthylénique suivie de la même manière par l'élimination réductrice libérant le composé alky- ou arylsilanes correspondant.

On régénère donc à chaque cycle catalytique le métal au degré d'oxydation 0, disponible pour une nouvelle étape d'addition oxydante.

De nombreuses études théoriques au sujet de ce mécanisme d'hydrosilylation ont été rapportées? A ce jour, il est très difficile de prévoir la régiosélectivité et stéréosélectivité au regard de la structure chimique des différents partenaires réactionnels, et c'est seulement les résultats expérimentaux qui vont permettre de

7

(a) Bode, B. M.; Day, P. N.; Gordon, M. S. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 1552. (b) Sakaki, S.; Sumimoto, M.;

Fukuhara, M.; Sugimoto, M.; Fujimoto, H.; Matsuzaki, S. Organometallics 2002, 21, 3788 (c) Sakaki, S.; Mizoe,

N.; Sugimoto, M. Organometallics 1998, 17,2510

connaître le mécanisme réactionnel le plus approprié pour expliquer la structure des composés obtenus en fin de réaction.

1.3.d) Accès aux arylsilanes.

Les arylsilanes sont des intermédiaires de choix en synthèse organique et plus précisément en catalyse organométallique. Leur utilité a par exemple été montrée pour les couplages de Hiyama et les réactions d'hydrosilylation.

De nombreux efforts ont porté sur le développement de nouvelles méthodes de synthèse chimiosélectives de ces composés.

La méthode traditionnelle, que nous avons décrite précédemment, consiste en la réaction d'un chlorosilane avec un lithien ou un réactif de Grignard aromatique (Schéma 14, voie a).8

ROM + R'3 ^{SiX a ..} RO ^SiR '3 ^..

_cat.^b

RQ-x+ R'3 ^SiH

(M =Li,MgX) X = -CI, -Br X= l, Br

Schéma 14

Cette stratégie a, par exemple, été utilisée pour la préparation de résines polystyrène fonctionnelle portant des groupements hétéro-aryles. Ces résines ont été préparées via la réaction de substitution d'un lithien hétéro-aromatique préparé in situ par une résine chlorosilane très réactive (Schéma 15).9

Cette stratégie permet donc de réaliser la fonctionnalisatiçm séquentielle de noyaux aromatiques immobilisés, puis le clivage de ces molécules cibles via une méthodologie "traceless", le plus souvent réalisée par des ions fluorures (TBAF).

8

The chemistry ofOrganic Silicon Compounds ; Patai, S. ; Rappoport, Z. ; Wi1ey&Sons : New York, 2000.

9

a) Woo1ard, F. X. ; E1lman, J. A.

J

Org. Chem. 1997,62,6102. b) Hu, Y. ; Gooding, O. W.

J

Org. Chem.

1998,63,4518.

Ar-Li Greffage

Schéma 15

TBAF ou TFAlDCM

- - - - _ l D Ar-H Clivage

Les composés hydrosilylés peuvent également être des agents de silylation des halogénures aromatiques par catalyse au palladium. Cependant, très peu d'exemples sont parus dans la littérature pour la formation de la liaison C-Si par cette méthode (Schéma 14, voie b). 10 Ceci est essentiellement dû au caractère réducteur accru des composés hydrosilanes en présence d'une catalyse au palladium.

Par exemple, Chatgilialoglu a montré que la réaction entre le 4-iodoanisole et le triéthylsilane en présence de PdCb conduit quantitativement à la réduction du dérivé halogéné (Schéma 16).11

M e o - Q - I

Et

3

Si-H -0-

---=---.... ^MeO

~

/; H REDUCTION

PdCI₂

>95%

Schéma 16

Une alternative efficace à ce problème de réduction du dérivé halogéné consiste à utiliser un hydrosilane beaucoup moins réducteur tel que le triéthoxysilane qui conduit par une catalyse au palladium aux dérivés arylsilanes avec de très bons rendements (Schéma 17).12

10

(a) Murata, M. ; Suzuki, K. ; Masuda, Y. ;

J.

Org. Chem 1997, 62, 8569. (b) Gu, W. ; Liu, S. ; Silvermann, R.

B. Org. Lett 2002,4,4171. (c) Denmark, S. E. ; Kal1emeyn, J. M. Org. LeU 2003,5,3483.

11

(a) Boukherroub, R. ; Chatgilialoglu, C. ; Manuel, G. Organometallics 1996,15,1508. (b) Berk, S. C.;

Buchwald, S. L.

J.

Org. Chem. 1992, 57, 3751. (c) Barr, K. J. ; Berk, S. C. ; Buchwald, S. L.

J.

Org. Chem.

1994,59,4323. (d) Breeden, S. W. ; Lawrence, N. J. Synlett 1994,833. (e) Keinan, E. Pure Appl. Chem. 1989, 61, 1737. (f) Chatgilialoglu, C. Ace. Chem. Res. 1992,25,188. (g) Chatgilialoglu, C. Chem. Rev. 1995,95,1229.

12

(a) Manoso, A. S. ; DeShong, P. ;

J.

Org. Chem 2001, 66, 7449. (b) Murata, M. ; Ishikura, M. ; Nagata, M. ;

Q

x::: ^-Br,-I

+ _H-Si(OEt)3

Pd(dbah

P(t-BuMo-biphenyl) i-Pr

₂

NEt

NMP

Schéma 17

24-92%

Récemment, Yamanoi a montré que le transfert d'un groupement trialkylsilyl vers un dérivé halogéné aromatique est possible en présence de Pd(t-Bu3P)2 et de K3P04. Ainsi la silylation d'une large gamme très riche de dérivés halogénés TT- excessifs a pu être réalisée (Schéma 18).13

RQ-X ⁺

_K

3P0_4, NMP

1 r.t,5h

R'3

=

Et_3,Ph_3,Me₂Ph!

Schéma 18

:>86%

Néanmoins, ces stratégies comportent une limitation majeure puisqu'elles ne sont efficaces qu'avec des dérivés halogénés riches en électrons. Dans le cas de composés TT-déficients tels que le noyau pyridinique, ces conditions conduisent majoritairement à la réduction de la liaison carbone-halogène.

C'est finalement en 2006 que Alami et coll. décrivent le premier exemple de silylation efficace utilisant le triéthylsilane. Ainsi, des dérivés aromatiques bromés ou iodés TT-déficients ont pu être silylé efficacement sous catalyse au dioxyde de platine en présence d'acétate de sodium. Ainsi, des composés hétéroaromatiques tels que la pyridine ou la quinoléine peuvent également être engagés dans cette réaction avec de bons rendements (Schéma 19).14

13

Yoshinori, Y.

J.

Org. Chem. 200S, 70, 23, 9607.

14

Hamze, A. ; Provot, O. ; Alami, M. ;

BriOD,

J. - D. Org. Let! 2006, 8, 931.

o- ^{x +}

R1

y

Pt0₂

!

AcONa

NMP,

looe ... ^R1 o- ^Y

^SiEt3

x=

l, Br Y=C, N

R1

=

-N02, -CN, -OMe, -CHO, -H

Schéma 19

42 - 82%

Le mécanisme de cette réaction reste à approfondir malgré les efforts d'élucidation coordonnés de nombreux groupes. Le platine est tout d'abord réduit au degré d'oxydation zéro probablement par le HSiR

_3.

Il est ensuite supposé que le métal utilisé subit deux additions oxydantes successives, d'abord par le silane puis par le dérivé halogéné aromatique dans un deuxième temps. Le Platine se retrouve alors au degré d'oxydation (IV). Quatres isomères de cet intermédiaire sont alors possibles dont deux seulement conduisent après élimination réductrice au produit de couplage. Alors que de nombreux facteurs gouvernent cette étape clé, il n'est pas facile de conclure à une quelconque logique mécanistique à ce niveau.

Ainsi selon la nature chimique et électronique des groupements qui entourent le métal, certains intermédiaires vont être favorisés conduisant soit au produit de couplage soit au produit de réduction du dérivé halogéné (Schéma 20).

Pt0₂

Ar-SiEt3

J

_H-SiEt

3

Elimination réductrice

r ^{pe ~}

" \

⁽

1èreAddition oxydante

Ar-Pt-SiEt Et Si-Pt-H

(11)~3

^{3 (II)}

) ArX

B-

X,(lV)~H

'---"

/ Pt

^2ièmeAddition oxydante Ar SiEt₃

H-Pt-SiEt_{1 1 3} Et Si-Pt-H_{3 1 1}

1 1 1 1

1 1 1 1

X-Ar Ar-X

Et Si-Pt-H

3 : :

, ,

X-Ar

H-Pt-SiEt

: : 3

, ,

Ar-X

COUPLAGE REDUCTION

Schéma 20

1.4) les Arylsilanes et leurs applications synthétiques.

1.4.a) l'oléfination de Peterson.

L'oléfination de Peterson

15

engage l'addition d'une quantité stoechiométrique d'un carbanion en alpha d'un atome de silicium sur un dérivé carbonylé tel qu'une cétone ou un aldéhyde. Cette réaction produit alors un intermédiaire fj-hydroxysilane qui se décompose rapidement par l'attaque de l'alcoolate formé sur le silicium produisant ainsi en fin de réaction un alcène et un silanoate (Schéma 21).

1

e

- S i - C H₂

1

₊

",c====<Ph

Ph

\ e

...----

Si-O

\

\

Schéma 21

La force de cette réaction réside dans la formation d'une liaison Si-O très forte. L'efficacité de cette réaction dépend également de la nature du cation associé.

Les alcoolates de potassium et de sodium sont beaucoup plus réactifs dans cette réaction que les alcoolates de magnésium qui sont plus covalents. Ainsi, la réaction de Peterson est une méthode synthétique de substitution des réactions de Wittig utilisant des ylures au phosphore. Cette réaction est donc aussi citée sous le nom de réaction de Silyl-Wittig.

L'utilité synthétique de la réaction de Peterson a généré un grand enthousiasme pour le développement de la chimie de dérivés organométalliques stabilisés en alpha du silicium. Cette stabilisation réside dans la délocalisation possible de la densité électronique centrée sur une orbitale 2p du carbone vers une orbitale 3d vide du silicium (figure 22).

15

Peterson, D. J. J. Org. Chem 1968, 33, 780.

Figure 22

1.4.b) Préparation des carbanions en alpha du silicium.

Depuis son introduction en 1968 par Peterson, la préparation et la réactivité des carbanions en position alpha d'un atome de silicium est un sujet de grand intérêt en synthèse organique. Ces carbanions ont été largement utilisés pour la préparation d'oléfines,16 mais également pour réaliser des réactions d'hydroxyméthylation nucléophiles. 17

Ces carbanions sont le plus souvent préparés selon 4 voies synthétiques principales:

o Préparation d'un réactif organomagnésien à partir du dérivé halogéné correspondant.

o Déprotonation par un réactif de lithiation comme le n-BuLi.

o Réaction d'échange X-métal (avec X = S, Sn, Si ou Se).

o Addition d'un alkylithien sur un vinylsilane.

A travers ces méthodes pour générer un carbanion en alpha du silicium, la réaction de déprotonation par un réactif de lithiation est de loin la plus efficace, puisque les a-halogénosilanes, les silanes substitués en position a par un hétéroatome et les vinylsilanes ne sont pas toujours faciles d'accès.

Il a été reconnu que la déprotonation du groupement méthyl porté par le silicium est la plus difficile à réaliser. 18 Malgré la stabilisation du carbanion formé par l'atome de silicium lui-même, la présence d'hétéroatomes peut accroître cet effet de stabilisation permettant de réaliser la lithiation efficace du groupement méthyl.

Hosomi a, par exemple, rapporté que l'alkoxytriméthylsilane portant un groupement

16

Ager, D. J. Org. React. 1990, 38,

1.

17

Tamao,

K. ;

Ishida, N. ; Kumada, M. Org. Synth. 1990,69,96.

18

Bates, T. F. ; Dandekar, S.A; Longlet, J. J. ; Wood, K. A. ; Thomas,

R.

D. J Organomet. Chem. 2000,595,

diméthyamino- peut être facilement déprotonné par le t-SuU pour conduire à la formation du carbanion correspondant. 19

Il a été démontré que les atomes d'oxygène et d'azote sont nécessaires pour réaliser la réaction de déprotonation, ce qui indique clairement l'effet inductif apporté par l'oxygène et l'effet de coordination de l'atome d'azote. Friesen20 et Quayle21 ont également observé des effets similaires pour la déprotonation de groupements tert- butyldiméthylsilanes.

Snieckus a rapporté qu'un aryltriméthylsilane portant un groupement amide en position ortho est facilement déprotoné par le LDA22 et Klumpp a montré que la déprotonation du groupement méthyl pouvait être rendue efficace de façon intramoléculaire par une amine tertiaire (Figure 23).23

Hosomi (1987) Snieckus (1996)

~NMe2

^t-SuU

r1/

1 - - - - . 0 L'

0... , J I

SiMe³

/T

ⁱ

cC "':::: o

^{N(iPr) LDA}

R 2 ..

h ,

SIMeo

Klummp (1995)

s-BuLi

1

( N~NMe₂ SiMeo (NMe²

SiMeo

t-SuU

N

- - . . . O---Lï'·'S

\ ...a,u

/kH.J

Quayle (1992)

Figure 23

Dans ce contexte, l'équipe de Yoshida a découvert la déprotonation d'un des groupements méthyls portés par le 2-pyridyltriméthylsilane en envisageant la stabilisation du lithien formé par l'azote pyridinique (Schéma 24).

19

Hosomi, A. ; Kohra, S. ; Tominaga, Y. ; Shoji, M. ; Sakurai, H. Chem. Pharm. Bull. 1987,35,1663.

20

Friesen, R. W. ; Sturino, C. F. ; Daljeet, A. K. ; Kolaczewska, A.

J.

Org. Chem. 1991,56, 1944.

21

Imanieh, H. ; Quayle, P. ; Voaden, M. ; Conway, 1. ; Street, S. D. A. Tetrahedron LeU. 1992,33,543.

22

Brough, P. A. ; Fisher, S. ; Zhao,

B. ;

Thomas, R. C. ; Snieckus, V. Tetrahedron LeU. 1996,37,2915.

23

Luitjes, H. ; de Kanter, F. 1. J. ; Schakel, M. ; Schmitz, R. F. ; Klumpp, G. W.

J.

Am. Chem. Soc. 1995, 117,

4179.

U

agent de lithiation..

N 8iMe₃

Schéma 24

L'utilisation du t-SuU conduit à la déprotonation quantitative du silane et, après condensation électrophile, à l'isolement du silane fonctionalisé avec un rendement de 93%. La réaction est supposée transiter par le complexe de prélithiation par effet CIPE (Complex Induce Proximity Effect)24 du substrat avec le t-

SuU avant l'étape de lithiation proprement dite (Schéma 25). L'implication de ce complexe a été démontrée par modification de la nature du solvant utilisé ou l'ajout de complexants tels que le TMEDA. En effet, l'utilisation de THF comme solvant réactionnel ne conduit à aucune formation de produit issu de la lithiation du silane.

U

^N SiMe3

-

^-ll

^- 0 ^~siMe3

, - tSu-H

^" U//

N Si

+

Li-""'Sut \Li)

l--'Li-Bu^l A

Schéma 25 : Effet de proximité pour la déprotonation de 1 par le t-BuLî.

Afin de confirmer que la déprotonation du 2-pyridyltriméthylsilane est attribuée à l'effet de proximité induit par la pyridine en plus de la stabilisation apportée par l'atome de silicium en position a, l'équipe de Yoshida a étudié la réactivité du phényltriméthylsilane, du 3-pyridyltriméthylsilane ainsi que celle de l'isomère en position 4 de la pyridine où aucun effet de proximité ne peut être observé.

Dans le cas du silane en série benzénique, aucune réaction ne se produit

avec le t-SuU et on récupère le composé de départ. Par contre, la réaction du t-SuU

avec les silanes pyridiniques en position 3 et 4, conduit à l'attaque du tertio-

butyllithium sur le cycle pyridinique sans observer de lithiation en alpha du silicium.

~

^{...lj SiMe}₃ ^{i)ii) Met-BuLi/Et3SiCI2O/-78°C}

^,.. ~

^{...lj SiMe3}

⁺

^t-BuSiMe3

~

^{i)t-BuLi/Et2O/-78°C}

~

N ...lj SiMe

3

ii) Me₃SiCI

..

N ...lj

SiMe(' SiMe₃

97%

Œ

^{1 ...lj SiMe3 i)}ii) Me^t-BuLi/Et₃SiCI^2O/-78°C

^,.. ~

l . . . l j

iii)H+/Hp SiMe₃

46%

Ainsi, le produit issu de la lithiation du silane en position 2 a été mis en réaction avec une gamme d'électrophiles variés conduisant aux composés substitués en alpha avec de très bons rendements (55-99%).25

Le groupement 2-pyridylsilyl peut être transformé en fonction alcool en utilisant les conditions de Tamao.

²⁶

Ainsi, par réaction d'oxydation avec H

2

0

2 /

KF les alcools correspondants sont obtenus avec de très bons rendements. Il est intéressant de noter que cette réaction d'oxydation se fait dans des conditions beaucoup plus douces que dans le cas du groupement PhMe

2

Si-. Cette transformation en 2 étapes fournit donc une méthode efficace pour fonctionnaliser des alcools masqués, à l'aide de réactifs organolithiés (Schéma 26).

Schéma 26

Des études mécanistiques ont révélé que l'oxydation par H202 conduit dans un premier temps à la rupture de la liaison Py-Si assistée par le fluorure de potassium (KF) qui précède alors l'oxydation classique de Tamao du méthoxysilane formé intermédiairement (Schéma 27).

25

Itami, K. ; Kamei, T. ; Mitsudo, K. ; Nokami, T. ; Yoshida, J. 1.

J

Org. Chem. 2001, 66, 3970.

26

(a) Itami, K. ; Mitsudo, K. ; Yoshida, J. 1.

J

Org. Chem. 1999,64,8709. (b) Tamao, K. In Advances in Silicon

Chemistry, Vol. 3; Larson, G. L., Ed. ; JAl Press me. ; Greenwich CT, 1996,

1.

(c) Jones, G. R. ; Landais,

Y. Tetrahedron 1996,52, 7599.

- - - - _ ; 1 0

R-OH

MeOH,THF /

SO°C

[R)st ^{Me ]}

Schéma 27

1.4.c) Réaction de protodésilylation.

Le coupure électrophile d'un dérivé arylsilane conduit, en général, à la synthèse d'un composé aromatique substitué dans lequel l'électrophile occupe la position initialement occupée par le silicium (Schéma 28). Alors que les réactions classiques de substitution passent par la perte d'un hydrogène conduisant à la formation de différents isomères le plus souvent, dans ce cas aucun mélange d'isomères ne peut être obtenu.

Schéma 28

Le groupe de Snieckus a récemment étudié la réactivité d'arylsilanes portant

diverses fonctionnalités. Ils ont notamment montré que la présence d'un groupement

directeur (DMG) en position ortho du silicium permet de réaliser diverses réactions

d'ipso désilylation induites par une espèce électrophile.

²⁷

Ainsi des réactions d'ipso

halogénation et nitrosation ont été réalisées dans ces conditions avec d'excellents

rendements.

Ce groupe a mis également au point une réaction d'ipso-borodésilylation qui fournit une méthode précieuse pour la préparation de précurseurs du couplage de Suzuki avec de très bons rendements (Schéma 29). Néanmoins, ces composés borés sont stabilisés sous la forme de boronopinacolates et peuvent être engagés in situ dans un couplage de Suzuki donnant ainsi l'accès aux composés hetéroaryles ou biaryles.

-ce

^DMG Hal+

R

~ . /

Si Hal

=

^{l, Br, CI}

l '

ce

^DMG

X= Br R ~

B~

76-95%

R-C(DMG

Hal 53-92%

75-90%

Schéma 29

1.4.d) les arylsilanes : Réactifs organométalliques efficaces.

Comme nous l'avons précisé précedemment, la liaison carbone-silicium possède 12% de caractère ionique. Le silicium est l'entité 0+ et le carbone l'entité èY.

Dans un nombre limité de cas, les arylsilanes peuvent réagir avec les aldéhydes de la même manière que le ferait un réactif organométallique tel qu'un organolithien ou organomagnésien pour lesquels la polarité de la liaison peut être estimée à 25-30%

et 15-20% respectivement (Schéma 30).

F

¹

F*Si(

¹ _~ ⁺

F F

F

Ph~ o

_H ^165°C

"S'/

/ 1...

:Çc:

^{F 0 Ph}

FI:

^H

F F

F

Schéma 30

Alors que le phényltriméthylsilane ne réagit pas thermiquement avec le benzaldéhyde, les arylsilanes substitués en ortho par un groupement électroattracteur réagissent avec le benzaldéhyde dans une réaction catalysée par une espèce nucléophile telle que le t-BuOK ou encore des sels d'anions fluorures qui réagissent par une attaque nucléophile sur l'atome de silicium (Schéma 31).

cat. (-BuOK

"l ~ ^{G ]}

^_P_hC_H_O_..

DMF

~

B00C

N0₂

~ °

~NOU

²

Schéma 31

Il est donc possible de favoriser la formation d'un carbanion arylique en position ipso d'un atome de silicium, ceci nécessitant juste une catalyse nucléophile.

La capacité que possède le silicium à former des espèces pentavalentes stables est la clé de la réussite de ces réactions. La formation du silanion fragilise la liaison arylsilane la rendant ainsi nucléophile à son tour pour réagir avec des dérivés carbonylés ou une source protonique pour la formation d'une liaison C-H.

Dans l'exemple précédent, le carbanion est généré par un alcoolate de potassium qui est souvent utilisé dans la littérature. Cependant la méthode la plus commune d'activation du silicium est une activation par les ions fluorures qui conduit à la formation d'une liaison Si-F (142 kcal/mol) très stable. La formation de cette liaison constitue souvent la force motrice de bon nombre de réactions très efficaces.

La réaction des ions fluorures avec les dérivés organosilylés procède par

l'attaque initiale des ions fluorures vers une orbitale 3d vide du silicium conduisant à

la formation d'un silanion pentavalent qui se réarrange vers la formation d'un dérivé

fluorosilane stable et un carbanion. La stabilité de cet intermédiaire dépend essentiellement de la nature des groupements portés par le silicium.

Les réactions de nombreux dérivés organotrimétylsilanes avec les ions fluorures conduisent à la formation de TMS-F et la perte d'un groupement organique anionique. Par exemple, le 1-trimétylsilylacétylène réagit avec le fluorure de potassium pour produire le TMS-F et l'anion acétylure relativement stable

²⁸

(Schéma 32).

Ph - SiMe

3

Schéma 32

Ph _<3 ~+ ^Me

3

Si-F

EtOH

1

Ph - H

Dans le milieu des années 1980, Hiyama a montré que l'activation de dérivés organosilylés par les ions fluorures accentue le caractère nucléophile des groupements alkyls portés par le silicium

^29.

Ceci est expliqué par la formation intermédiaire d'une espèce pentacoordinée comme nous l'avons évoquée précédemment (Schéma 33).

RsS-Nu +

F

l

^,\\"R

]IID

R--r'~R

Nu

e

TlVlS-F +

''Ni' Nu = -SiMe3, -CH

2

CH=CF

2 •

-CF=CF

2 •

-C

6

Fs, -H

Schéma 33

28

Kraihanzel, C. S; Poist, J. EJ Organomet. Chem 1967, 8,239.

29

Fujita, M. ; Hiyama, T.

J

Am. Chem. Soc. 1984, 106,4629.